Optimal motion planning in redundant robotic systems for automated composite lay-up process

par Jiuchun Gao

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Anatol Pashkevich.

Soutenue le 29-06-2018

à l'Ecole centrale de Nantes , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Laboratoire des sciences du numérique de Nantes (laboratoire) .

Le président du jury était Benoît Furet.

Le jury était composé de Anatol Pashkevich, Benoît Furet, Gabriel Abba, Hélène Chanal, Sylvain Miossec, Stéphane Caro, Claire Dumas.

Les rapporteurs étaient Gabriel Abba, Hélène Chanal.

  • Titre traduit

    Planification des mouvements optimaux dans les systèmes robotiques redondants pour un processus d'enroulement filamentaire composite automatisée


  • Résumé

    La thèse traite de la planification des mouvements optimaux dans les systèmes robotiques redondants pour l'automatisation des processus d’enroulement filamentaire. L'objectif principal est d'améliorer la productivité des cellules de travail en développant une nouvelle méthodologie d'optimisation des mouvements coordonnés du robot manipulateur, du positionneur de pièce et de l'unité d'extension de l'espace de travail. Contrairement aux travaux précédents, la méthodologie proposée offre une grande efficacité de calcul et tient compte à la fois des contraintes technologiques et des contraintes du système robotique, qui décrivent les capacités des actionneurs et s'expriment par les vitesses et accélérations maximales admissibles dans les articulations actionnées. La technique développée est basée sur la conversion du problème continu original en un problème combinatoire, où toutes les configurations possibles des composants mécaniques sont représentées sous la forme d'un graphe multicouche dirigé et le mouvement temporel optimal est généré en utilisant le principe de programmation dynamique. Ce mouvement optimal correspond au plus court chemin sur le graphique satisfaisant les contraintes de lissage. Les avantages de la méthodologie développée sont confirmés par une application industrielle d’enroulement filamentaire pour la fabrication de pièces thermoplastiques au CETIM.


  • Résumé

    The thesis deals with the optimal motion planning in redundant robotic systems for automation of the composite lay-up processes. The primary goalis to improve the lay-up workcell productivity by developing a novel methodology of optimizing coordinated motions of the robotic manipulator,workpiece positioner and workspace extension unit,which ensure the shortest processing time and smooth movements of all mechanical components. In contrast to the previous works, the proposed methodology provides high computational efficiencyand also takes into account both the technological constraints and the robotic system constraints, which describe capacities of the actuators and are expressed by the maximum allowable velocities and accelerations in the actuated joints. The developed technique is based on conversion of the original continuous problem into a combinatorial one, where all possible configurations of the mechanical components are represented as a directed multi layergraph and the desired time-optimal motion is generated using dynamic programming principle for searching the shortest path on the graph satisfying the smoothness constraints. It is also proposed an enhancement of this technique by dividing the optimization procedure in two stages combining global and local searches. At the first stage, the developed algorithm is applied in the global search space generated with large discretization step. Then,the same technique is applied in the local search space, which is created with smaller step in the neighborhood of the obtained trajectory. The advantages of the developed methodology are confirmed by industrial implementation on the factory floor that deals with manufacturing of the high pressure vessel.


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